[논문]오픈 소스 하드웨어 기반의 스마트 센서 네트워크 시스템 구현

권오석; 김기환

doi:10.7236/jiibc.2017.17.1.123

오픈 소스 하드웨어 기반의 스마트 센서 네트워크 시스템 구현
Implementation of Smart Sensor Network System Based on Open Source Hardware 원문보기

The journal of the institute of internet, broadcasting and communication : JIIBC, v.17 no.1, 2017년, pp.123 - 128

권오석 (한국폴리텍 다솜고등학교 Smart전기과) , 김기환 (세명대학교 전자공학과)

초록
AI-Helper

본 논문에서 오픈 소스 하드웨어인 아두이노를 기반으로 하는 스마트 센서 네트워크 시스템 모델을 제안하고 구현하였다. 제안된 스마트 센서 네트워크 시스템은 센서 및 센서의 값을 처리할 수 있는 오픈 소스 하드웨어 기반인 아두이노 등으로 구성된다. 또한 센서로 부터 측정된 센서값을 활용할 수 있는 제어 장치부에 전송할 통신 모듈도 구성하였다. 제어 장치부에서는 온도, 습도, 광량과 같은 센서 데이터를 메인 프로그램으로 전송하고 메인 프로그램은 데이터를 DB에 저장하거나 특정한 제어 신호의 값을 제어장치 혹은 엑츄에이터에 전송한다. 사용자는 또한 웹을 통해 스마트 센서 네트워크에서 측정된 값을 사용하는 시스템의 정보를 확인하거나 각종 액츄에이터를 원격 제어할 수 있으며 제안 시스템의 상황 인지 및 자율 제어 기능을 통해 스마트한 관리가 가능하다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper, we have proposed and implemented a smart sensor network system based on the Arduino open source hardware. The proposed smart sensor network system is composed of kinds of sensors and open-source hardware based, Arduino, etc. that can handle the measured sensor values. Also the communication modules that can be used to transmit the measured sensor values from the sensor control unit are configured. In the control unit the sensor data such as temperature, humidity, light intensity can be transmit to the main program and the main program will save the data in the DB or transmitting the value of the particular control signal to the control device or the actuator. The user can also check the information in the system using the measured values from the smart sensor networks through the web, or to remotely control a variety of actuators. And it is possible to manage a smart autonomous control over whether and how the proposed system.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

본 논문에서 오픈 소스 하드웨어인 아두이노를 기반으로 하는 스마트 센서 네트워크 시스템 모델을 제안하고 구현하였다. 제안된 스마트 센서 네트워크 시스템은 센서 및 센서의 값을 처리할 수 있는 오픈 소스 하드웨어 기반인 아두이노 등으로 구성된다.
본 논문에서는 이러한 번거러움을 줄이고 사용자가 원하는 센서와 주변 기기를 장착하고 이미 공개된 오픈 소스 하드웨어 및 소프트웨어를 이용하여 스스로 설계할 수 있는 시스템에 대하여 고찰하기로 한다. 이를 통해 사용자에게 최적화된 시스템을 제공하여 다양한 분야에 적용가능하게 하고자 함에 주안점을 두었다.
본 논문에서는 이러한 번거러움을 줄이고 사용자가 원하는 센서와 주변 기기를 장착하고 이미 공개된 오픈 소스 하드웨어 및 소프트웨어를 이용하여 스스로 설계할 수 있는 시스템에 대하여 고찰하기로 한다. 이를 통해 사용자에게 최적화된 시스템을 제공하여 다양한 분야에 적용가능하게 하고자 함에 주안점을 두었다.

제안 방법

서버 구성은 그림 4에서와 같이 구성하였다. 그림 4에서 보는바와 같이 라즈베리파이의 이더넷을 통해 아두이노 Slave의 상태를 스마트폰으로 전송할 수 있으며 또한 스마트폰에서의 제어 신호를 아두이노 Slave의 엑츄에이터로 보내 제어가 가능하도록 하였다.
이는 무선통신의 네트워크 토폴로지가 동적으로 변하여 통신거리를 비약적으로 늘릴 수 있는 장점이 있다. 또한 라즈베리파이를 사용하여 아두이노 Master와 연결 하였다. 이 라즈베리파이를 통해 인터넷으로 모니터링이 가능하게 하였다.
본 논문에서 구성한 아두이노 보드에는 여러 환경요소측정을 위한 센서 모듈, 엑츄에이터 구동을 위한 모터 드라이버, 상시전원을 구동하기 위한 릴레이 모듈 등을 장착하였다. 그림 11은 아두이노 보드를 사용하여 구성한 센서노드이다.
본 논문에서는 센서 네크워크의 주된 하드웨어로 오픈소스 하드웨어 기반의 아두이노를 적용하였으며 더불어 라즈베리파이를 서버로 사용하여 웹기반의 모니터링이 가능하도록 시스템을 구성하였다.^[3][4]
아두이노 Master 모듈은 BlueTooth의 통신거리 및 구성할 수 있는 네트워크 노드수에 한계가 있으므로 라즈베리 파이의 근거리에 위치시켜 여러 가지 디스플레이 기능 등을 제공하게 하였다. 그림 3에 전반적인 라즈베리 파이에서부터 아두이노 Slave까지의 통신 방법 및 신호의 흐름을 나타내었다.
이들 아두이노 Master와 Slave 사이에는 통신모듈마다 약간의 차이는 있지만 대략적으로 150m정도까지의 거리를 지원하고 Ad-hoc 기능을 갖는 지그비 통신을 사용하였다. Ad-hoc기능은 End Device가 Coordinator에게 데이터 전송 시 전송거리를 벗어났을 경우 통신거리내의 다른 모듈을 통해 데이터를 Coordinator에게 전달할 수 있다.
이러한 센서 네트워크를 구성하기 위하여 기존에는 센서들의 집합인 센서 보드를 사용하였으며 이 센서 보드를 네트워크화 시키기 위한 센서 노드 그리고 웹서버를 따로 구성하였다. 이렇게 구성된 시스템은 비용도 높을 뿐 아니라 사용환경에 특정화 되어 있는 경우가 대부분이다.
본 논문에서 오픈 소스 하드웨어인 아두이노를 기반으로 하는 스마트 센서 네트워크 시스템 모델을 제안하고 구현하였다. 제안된 스마트 센서 네트워크 시스템은 센서 및 센서의 값을 처리할 수 있는 오픈 소스 하드웨어 기반인 아두이노 등으로 구성된다. 주로 센서 값을 측정하고 엑츄에이터의 제어 신호를 보내는 아두이노 Slave 부분은 지그비 통신을 이용하여 메쉬형태의 네트워크를 구성하였고, 상위 부분인 아두이노 Master부분은 BlueTooth 통신을 이용하여 tree 형태의 네트워크로 구성하였다.
제안된 스마트 센서 네트워크 시스템은 센서 및 센서의 값을 처리할 수 있는 오픈 소스 하드웨어 기반인 아두이노 등으로 구성된다. 주로 센서 값을 측정하고 엑츄에이터의 제어 신호를 보내는 아두이노 Slave 부분은 지그비 통신을 이용하여 메쉬형태의 네트워크를 구성하였고, 상위 부분인 아두이노 Master부분은 BlueTooth 통신을 이용하여 tree 형태의 네트워크로 구성하였다. 이렇게 메쉬 및 트리 구조의 네트워크를 복합적으로 사용함으로 시스템의 확장이 수월해짐을 알 수가 있었다.

대상 데이터

본 논문에서 사용한 시스템의 센서노드는 Arduino mega2560 모델이다. 아두이노는 간단한 전자연결 지식만 갖고 있으면 공개된 수많은 센서 모듈, 통신모듈, 엑츄에이터 등을 이용하여 전반적인 하드웨어를 구성할 수 있다.
본 논문에서는 여러 엑츄에이터 중에서 광량 및 온도 제어를 위한 창문의 개폐 모터구동, 게이트 개폐를 위한 모터 구동, 온도나 환기조절을 위한 팬을 구동하는 모터를 대상으로 정하였다. 이들 센서의 값과 엑츄에이터를 제어하는 제어량에 대한 스마트 폰의 GUI 구성은 다음 그림 9와 같다.
본 연구에서 사용한 센서들은 기존의 산업체나 홈오토메이션, 공장자동화, IoT 등에 많이 사용하는 온습도 센서, 광량/조도 센서, 수위센서, 홀센서, 풍속센서 그리고 화재를 감지할 수 있는 화재감지 센서 등을 사용하였으며, 엑츄에이터로는 기본적인 직류모터와 스위치 그리고 릴레이 등을 사용하였다.
라즈베리 파이와 아두이노 Master 사이의 통신을 하기 위한 블루투스 모듈과 각종 엑츄에이터를 구동시킬 수 있게 하는 릴레이 모듈은 그림 13에 나타내었다. 블루투스 모듈은 HC-05 모듈을 사용하였다. 이 제품은 UART 통신을 통하여 데이터 송수신이 가능하며 AT Command를 통하여 Master/Slave 설정, 비밀번호 변경, 통신속도 설정 등의 설정이 가능하다.

이론/모형

이 라즈베리파이를 통해 인터넷으로 모니터링이 가능하게 하였다. 이때 라즈베리파이와 아두이노 Master의 연결은 빠른 전송속도 및 근거리 통신을 지원하여 스마트폰과 직접 페어링을 가능하게 하는 BlueTooth 연결 방식을 사용하였다.^[5]
또한 그림 12에서와 같이 초음파 센서와 불꽃감지 센서 모듈을 연결 할 수 있다. 초음파 센서는 HC-SR04 모델을 사용하였다. HC-SR04 모델은 동작전원 DC5V, 12mA에서 동작하며 측정거리는 0.

성능/효과

불꽃감지센서는 약 760nm∼1100nm 파장의 불꽃을 감지할 수 있다. 실험결과 라이터 불꽃을 약 1m 정도에서 감지가 가능하였다.
주로 센서 값을 측정하고 엑츄에이터의 제어 신호를 보내는 아두이노 Slave 부분은 지그비 통신을 이용하여 메쉬형태의 네트워크를 구성하였고, 상위 부분인 아두이노 Master부분은 BlueTooth 통신을 이용하여 tree 형태의 네트워크로 구성하였다. 이렇게 메쉬 및 트리 구조의 네트워크를 복합적으로 사용함으로 시스템의 확장이 수월해짐을 알 수가 있었다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	본 연구에서 사용한 센서에는 무엇이 있는가?	본 연구에서 사용한 센서들은 기존의 산업체나 홈오토메이션, 공장자동화, IoT 등에 많이 사용하는 온습도 센서, 광량/조도 센서, 수위센서, 홀센서, 풍속센서 그리고 화재를 감지할 수 있는 화재감지 센서 등을 사용하였으며, 엑츄에이터로는 기본적인 직류모터와 스위치 그리고 릴레이 등을 사용하였다.
	Ad-hoc기능을 갖는 지그비 통신의 장점은 무엇인가?	이는 무선통신의 네트워크 토폴로지가 동적으로 변하여 통신거리를 비약적으로 늘릴 수 있는 장점이 있다. 또한 라즈베리파이를 사용하여 아두이노 Master와 연결 하였다.
	사물인터넷 IoT란 무엇인가?	이러한 기술의 흐름과 함께 스마트 센서 네트워크에 대한 관심과 수요가 많이 늘었다. 사물인터넷 IoT(Internet of Things)이란 우리 주변의 사물들에 IP를 부여하고 이들을 네트워크로 연결하여 상호 정보를 주고받으며 지능화함으로써 다양한 분야에서 사용자의 요구를 충족시키는 기술이다.[1] 여기서 사물들의 상태 혹은 정보를 알기 위해서 다양한 종류의 센서들이 구성되어야 한다.

참고문헌 (7)

Jeong-Won Kim, "A Smart Home Prototype Implementation Using Raspberry Pi", Journal of The Korea Institute of Electronic Communication Sciences Vol. 10 No. 10 2015. 10, pp 1139-1144

원문보기 상세보기
Kee Hwan Kim, "Development of Complex USN Sensor for Zero Energy House with Blind System", The Journal of the Institute of Internet, Broadcasting and Communication 2013. 8, Vol. 14 No. 4 pp. 221-227 DOI: http://dx.doi.org/10.7236/JIIBC.2013.13.4.221
C. Bell, "Beginning sensor networks with Arduino and Raspberry Pi", New York: Apress Media, 2013
A. Dennis, "Raspberry Pi home automation with Arduino", Birmingham: Packt Publishing, 2013
Sung-Ja Choi, Byeong-Gwon Kang, "Home Monitoring Server System Using Smart Interface over Wireless Networks", Journal of Digital Convergence Vol. 10 No. 8 2012. 9, pp. 225-231
Ji-Dong Ju, Jin-Seoung Kim, Bong-Gu Kang, Jeachang Shim, "Implementation of Mobile Multi-sensor System for Measuring an Environment", Journal of Korea Multimedia Society Vol. 17, No. 8, 2014. 8. pp. 1020-1024

원문보기 상세보기
In-Gu Lee, Gi-Pyeong Kim, Myeon-Gyun Cho, "Arduino based Smart Home System using Smart-phone", Domestic Conference of The Institute of Electronics Engineering of Korea, 2015. 6, pp. 1667-1668

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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